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So funktioniert eine Windkraftanlage

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Die Windkraft wird künftig den
größten Teil der Stromversorgung in Deutschland und auch in vielen anderen
Ländern der Erde übernehmen müssen. Darum wollen wir uns in dieser
Einheit die Stromerzeugung aus der Windkraft näher anschauen. Als ersten betrachten wir, wie eine Windkraftanlage funktioniert, warum sie sich überhaupt dreht und wie dann die Stromerzeugung
am Ende realisiert wird. Wir sehen hier eine Windkraftanlage
von der Seite. Dann zoomen wir einfach mal heran. Das ist die Nabe der Windkraftanlage
und ein von der Seite aufgeschnittenes Rotorblatt. Die Nabe dreht sich mit dem Rotorblatt
und von vorne kommt der Wind. Das ist die Anblick von der Seite. Dann haben wir noch den Fahrtwind.
Durch die Rotation des Rotorblattes erfährt nun das Rotorblatt von der einen Seite den Wind und von der anderen Seite den Fahrtwind. Versetze ich mich nun in das Rotorblatt
hinein und schaue drauf, dann habe ich eine Anströmgeschwindigkeit,
die schräg von vorne kommt.

Nun ist das Rotorblatt so
geformt, dass der Wind unterschiedlich lange Strecken zurücklegen muss, wenn er an dem Rotorblatt vorbeiströmt. Auf der Vorderseite ist hier der
Weg kürzer als auf der Rückseite. Deswegen gibt es im Wind
Druckunterschiede. Wir haben hier einen Überdruck auf der Vorderseite und einen Unterdruck auf der Rückseite. Bei Druckunterschieden kommt es dann zu Kräften. Der Druckunterschied wird
dann hier durch eine Auftriebskraft ausgeglichen. Diese Kraft die zerrt dann an dem Blatt.
Und wir können diese Kraft in zwei Komponenten zerlegen: einmal eine so
genannte Schubkraft. Die Kraft drückt gegen die Windkraftanlage und das muss die Windkraftanlage aushalten. Und dann gibt es eine Tangentialkraft,
die praktisch am Rotorblatt entgegen der Windkraftrichtung zieht.

Und diese Kraft versetzt den Rotor dann
letztendlich in Drehung. Die Windkraftanlage nutzt den Wind, indem sie den Wind abbremst und die
Energie des Windes in Bewegungsenergie und dann am Ende in elektrische Energie umwandelt. Der Wind, der hier vorher eine Fläche A1 durchströmt gelangt durch die Windkraftanlage, wird abgebremst. Und der Wind muss natürlich die Windkraftanlage auch wieder verlassen können. Deswegen weitet sich der Windstrom
durch die Windkraftanlage auf. Der Wind wird hier entsprechend langsamer. Es gibt ein Optimum für die Abbremsung.
Wir können den Wind nicht auf null abbremsen, weil wir sonst einen Windstau
hätten.

Und wir deswegen können wir Deswegen können wir nicht die gesamte Energie des Windes durch die Windkraftanlage entziehen. Das technische Optimum ist auch
etwas geringer als das theoretische. Das theoretische Optimum ergibt sich aus dem Betz’schen Gesetz. Und hier haben wir rund 60 Prozent der Leistung, die wir
maximal entnehmen können. Eine moderne Windkraftanlage besteht nicht nur aus einem Rotor, den wir uns gerade näher angeschaut haben, sondern natürlich auch aus den
Komponenten die die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln Wir haben ein Getriebe, das die Drehzahl des Rotors auf einen Generator anpasst. Dieser Generator ist dann mit leistungselektronischen Komponenten dann über einen Transformator an das Netz angeschlossen. Das sind
gängige Generatorkonzepte. Und ges gibt auch einzelne Hersteller, die versuchen die Anlagen technisch noch weiter zu optimieren. Zum Beispiel, indem man auf das Getriebe verzichtet. Dann sehen die Windkraftanlagen etwas anders aus. Wir sehen eine Windkraftanlage ohne Getriebe. Diese Generatoren sind dann etwas größer vom Durchmesser. Daran erkennt man sie. Und das sind technische Weiterentwicklungen, die wir in den letzten drei Jahrzehnten in der Windkraft durchgeführt haben. Wenn wir eine Windkraftanlage betreiben, dann gelingt es heute mit modernen Windkraftanlagen
im Auslegungsfall ungefähr 50 Prozent der Leistung des Windes zu entnehmen.

Wir sprechen dann von einem Leistungsbeiwert von 0,5. Das heißt die Hälfte der Wind enthaltenen
Leistung wird von der Windkratanlage in elektrische Energie umgesetzt. Rot dargestellt ist die elektrische Leistung der Windkraftanlage. Wir sehen, dass die Windkraftanlagen bereits bei sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten
von durchaus drei Metern pro Sekunde anlaufen, also auch bei niedrigen
Windgeschwindigkeiten dann schon Strom abgeben. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten hat
der Wind aber selber wenig Leistung.

Das heißt der Wind muss erstmal
ansteigen, um auch höhere Leistungen erzeugen zu können. Im mittleren Leistungsbereich können
wir wie gesagt Leistungsbeiwerte um 0,5 erreichen. Steigt die Windgeschwindigkeit weiter an,
erreicht die Windkraftanlage irgendwann ihre Nennleistung. Ab da wird die
Windkraftanlage dann künstlich abgeregelt. Dazu verdrehen wir die Rotorblätter in eine ungünstige Stellung, um weniger
Leistung entnehmen zu können. Damit können wir die Leistung konstant
halten, weil wir sonst den Generator erheblich überdimensionieren müssten,
was wirtschaftlich ungünstig wäre.

Die Windkraftanlage kann dann bis zu sehr hohen Windgeschwindigkeiten ihre Nennleistung abgeben. Kommen wir dann in den Orkanbereich,
werden Windkraftanlagen abgeschaltet und können dann in einer Sturmposition verharren, bis das Unwetter vorbei ist und kein
Schaden an der Windkraftanlage entsteht. Windkraftanlagen haben in den letzten
Jahren einen sehr hohen technischen Stand erreicht.
Windkraftanlagen gehören weltweit mit zu den günstigsten Arten der
Stromerzeugung und das ist der Grund warum wir wie vorhin schon gesagt in
Deutschland auch den größten Teil der Stromversorgung künftig mit der
Windkraft decken werden.

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